e) Plastidyf) Mitochondrie a peroxizómyg) Cytoskelet

1MBR1

2016 2) Architektura buňky

2

e) Plastidy

Vyskytují se v autotrofních eukaryotech. U rostlin se vyskytují téměř ve všech buňkách.

Plastidy produkují:

- chlorofyl

- karotenoidy

- puriny- pyrimidiny

- aminokyseliny

- mastné kyseliny

- hormony: GAs, ABA

- cukr během fotosyntézy

Plastidy uchovávají karbohydrátyve formě škrobu; redukují dusitany a sírany

3

Plastidy - dvojitá membrána:

Vnější membrána – nespecifické proteinové póry – transport iontů a molekul do 10 kDa.

Vnitřní membrána – ohraničuje stroma; méně permeabilní – specifické transportéry; vychlipuje a tvoří thylakoidní systém membránový systém

Stroma – syntéza mastných kyselin

Vlastní DNA a ribozómy; vývojově pocházejí z prokaryotických endosymbiontůpříbuzných ke kyanobakteriím

Importují 75% svých proteinů kódovaných v jádře.

4Diferenciace, de-diferenciace a re-diferenciace plastidů

V meristematických buňkách;0,2 – 1 µm; několik ribozómů

Proplastid

Mitochondrie

Zploštělá lamela interní membrány

Proplastidy

5Chloroplasty

Místem fotosyntézy; délka 3 – 10 µm, tloušťka 0,5 – 1 µm

(GT)

(ST)

Thylakoidy; až 40 v jednom granu podle světelných podmínek; vyskytují se zde fotosyntetické pigmenty

Rubisco (ribulosa-1,5-bisfosfát-karboxylasa/oxygenasa) – chloroplastový enzym; největší podjednotka - kódovaná chloroplastovou DNA a syntetizovaná na chloroplastových ribozomech; malá podjednotka – kódovaná jadernou DNA a syntetizovaná na cytoplazmatických ribozomech

6Etioplasty

Jejich vývoj z proplastidů se zastavil absencí světla; délka 2 – 3 µm

Nemají chlorofyl, produkují protochlorofylid – prekurzor chlorofylu

Prolamelární tělísko (prolamellar body) – obsahuje membránové lipidy, protochlorofylid a protochlorofylid oxidoreduktázu – enzym vyžadující světlo

Protochlorofylid => chlorofyl => komplex chlorofyl + protein; lipidy z PB jsou inkorporovány do thylakoidních membrán

Protochlorofylidoxidoreduktáza

7Amyloplasty

Bezpigmentové plastidy, syntetizují a shromažďují škrob; velké jako chloroplasty

Zásobní pletiva kořenů, stonků a endosperm obilovin

Škrobová zrna (kořenová špička sóji)

U hlízy brambor amyloplasty vystavené světlu re-diferencují na chloroplasty

Amyloplasty obilovin nere-diferencují, protože obilná endosperm obsahuje mrtvé buňky

8Leukoplasty

Bezbarvé plastidy, syntetizují a shromažďují monoterpeny – těkavé látky obsahující esenciální oleje; obsahují interní membrány, ribozómy a lipidové kapičky

Lipidové kapičky

Vyskytují se v sekrečních žlázách v trichomech, v nektaru květů, v sekrečních žlázách citrusů

9Chromoplasty

Žluté, oranžové, červené barvy v závislosti na množství akumulovaných karotenoidů a xantofylů; nepravidelný tvar – kulaté, měňavkovité, podlouhlé

Vyvíjí se z proplastidů, nebo de-diferenciací chloroplastů (zrání rajčat)

Gerontoplasty – chromoplasty ve stárnoucích listech

Chromoplasty re-diferencují na chloroplasty (zelenání citrusových plodů za nevhodných podmínek; zelenání mrkve na světle)

10Rozmnožování plastidů

Dělením existujících plastidů – proplastidů, etioplastů, mladých chloroplastů, ale i zralých chloroplastů

V meristémech probíhá dělení stejným tempem jako dělení buněk. Se zvětšováním buněk se zvyšuje počet plastidů.

Cytoplazmatické organely – přenášeny na další generaci vajíčkem (mateřská dědičnost), spermatickou buňkou (otcovská dědičnost), nebo objema buňkami (biparentální dědičnost)

Krytosemenné – plastidy a mitochondrie se dědí po mateřské linii (ve spermatických buňkách jsou degradovány nebo vypuzeny)

Nahosemenné – plastidy jsou přenášeny spermatickými buňkami

11f) Mitochondrie a peroxizómy

Elektrárna buňky – aerobní dýchání, účastní se glukogeneze a fotorespirace; stovky až tisíce v jedné buňce v závislosti na typu buňky a stádiu vývoje; mladé buňky méně

Elektronový transport v mitochondriích – zdroj ATP; metabolické dráhy dodávají org. kyseliny, aminokyseliny používané k biosyntéze kdekoliv v buňce

Vlastní DNA; pochází z endosymbiontů příbuzných α-proteobakteriím

1 µm

1- 3 µm

Mitochondrie mění svůj tvar: kulatý – oválný – činkovitý a zpět

Mitochondrie

12Mitochondrie - dvojitá membrána

Vnější membrána – obsahuje enzymy; vysoce permeabilní; poriny – proteinové komplexy vytvářející vodní kanály – transport iontů a malých molekul

Vnitřní membrána – obklopuje mitochondriální matrix; vysoce zvrásněná, vytváří tubulární kristy; obsahuje ATP syntázu a je místem elekronového transportního řetězce; velmi nízká permeabilita => specifické transportéry

Matrix – obsahuje rozpustné enzymy, mitochondriální DNA a ribozomy

Sférické organely o průměru 0,2 – 2 µm; periodicky se dělí; neobsahují DNA ani ribozómy=> všechny proteiny jsou kódovány nukleárními geny

Peroxizómy13

Funkcí se liší v závislosti na pletivu a orgánu. Jsou místem β-oxidace; syntéza kys. jasmonové

Obsahují oxidázy – generují H2O2 a katalázy, které rozkládají H2O2 na kyslík a vodu.

Účastní se fotorespirace

Přeměna fixovaného dusíku na org. látky bohaté na dusík

Ukládají tuky a oleje (glyoxyzómy)

14g) Cytoskelet

Funkce cytoskeletu: 1) Ukotvení organel a strukturní stabilitu cytoplazmy a zakotvených proteinů

2) Pohyb buněčných kompartmentů

3) Ukládání buněčné stěny, orientace nově vytvořené buněčné stěny během buněčného dělení

4) Určuje polaritu buňky, např. směr pohybu organel

15Struktura cytoskeletu – síť bílkovinných vláken prostupující cytozolem

3 typy cytoskeletárních filament: - Střední (intermediální) filamenta- Aktinová filamenta (mikrofilamenta)

- Mikrotubuly (tubulin)

Každý typ filament je složen z asymetrických proteinových podjednotek, které jsou spojeny nekovalentními vazbami

Střední (intermediální) filamenta

Proteinová vlákna – průměr 10 – 15 nm

Rostliny postrádají řadu typů středních filament konzervovaných u jiných eukaryontů (laminy, keratiny, vimentiny, neurofilamenta)

Filament-like proteiny (FLPs) – coiled-coil interakce

Coiled-coil proteiny identifikované u rostlin mají omezenou sekvenční homologii s ostatními proteiny u eukaryontů.

Aktinová filamenta (mikrofilamenta)

16

Vytvořena z proteinu aktinu; rozpustný globulární protein (G-aktin), 375 aminokyselin; podjednotky polymerizují do spirálovitých filament o průměru 8 nm - vzniká filamentárníforma aktinu = F-aktin

Mikrotubuly (tubulin)17

Vytvořeny heterodimerickými podjednotkami globulárních proteinů α- a β-tubulinu.

Dimery se spojují v dutou strukturu o průřezu 25 nm. Dimeryse váží svými konci a vytváří sloupce – protofilamenta.

Mikrotubul má většinou 13 protofilament (rozmezí 11 – 16)

Aktin a tubulin – vysoce konzervované proteiny

Geny pro α- a β-tubulin jsou u rostlin přítomny v 4 – 9 kopiích; počet aktinových genů se liší u různých druhů rostlin

18Mikrotubuly a aktinová filamenta mají vnitřní polaritu

Proteinové jednotky jsou asymetrické. V polymerním uspořádání jsou jednotky seřazeny ve stejné orientaci.

Polarita polymeru – každý konec má různé biochemické vlastnosti => každý konec má jinou rychlostní konstantu

„+“ konec = dynamičtější ; „-“ konec = méně aktivní

Aktinové filamenty a mikrotubuly se vytváří ve třech krocích

Vytvoření templátu

Prodlužování templátu

Udržování délkytemplátu

Rychlost elongace je dána rozdílem mezi rychlostí přidávání podjednotek a rychlostí ztráty podjednotek.

19Vytváření aktinových filament a mikrotubul vyžaduje vazbu a hydrolýzu NTP (nukleosid trifosfátu) příslušnými proteinovými podjednotkami.

G-aktin váže ATP, α- a β-tubulin váže GTP.

Fosfát navázaný na NTP je hydrolyzován, po té, co se podjednotka naváže na rostoucí templát.

Treadmilling (frézování) – koncentrace volných subjednotek podporuje růst na „+“ konci a je balancován zmenšováním na „-“ konci.

Rychlost změny délky bude nulová, ale podjednotky inkorporované na „+“ konec budou frézovány skrz polymer a uvolněny z „-“ konce.

https://www.youtube.com/watch?v=VVgXDW_8O4U

NTP: ATP, GTP

20Hydrolýza nukleotidů v mikrotubulech může vést k chování nazývanému dynamická nestabilita.

Energie uvolněná hydrolýzou GTP zvyšuje rychlost depolymerizace.

Mikrotubuly rostou přidáváním podjednotek s navázaným GTP. Hydrolýza GTP je zpožděná za sestavováním => vzniká čepička z podjednotek s navázaným GTP. Čepička stabilizuje strukturu a podporuje růst.

Snížení dodávky tubulinových dimerů nebo zvýšení hydrolýzy GTP => konec mikrotubulu obsahuje většinu podjednotek z GDP. Při odstranění čepičky dochází k rychlému rozpadu struktury.

21

Přídatné proteiny – interagují s aktinem a tubulinem a kontrolují jejich funkci

Motorické proteiny: - myosiny- dyneiny

- kinesiny

Hlavička – globulární doména proteinu – váže se k cytoskeletárnímu polymeru; zdrojem energie je ATP; ocásek proteinu nese případný „náklad“

Konvertují chemickou energii (ATP) na pohyb

22

Myosin – aktivuje mnoho typů buněčné pohyblivosti, včetně aktinových filament

Myosin II s dlouhými ocásky tvoří bipolární filamenta; pohybuje aktinovými filamenty s opačnou polaritou vzájemně proti sobě (kontrakce ve svalech).

Myosiny VIII a XI tvoří dvouhlavičkové(dimerické) motory.

Rostliny

Svaly

Přenos signálu myosinem vede:

1) k pohybu jednoho aktinového filamentu vůči druhému

2) k pohybu vezikul podél aktinového filamentu

3) k pohybu aktinového filamentu podél plazmatické membrány

23

Dynein a kinesin – interagují s mikrotubuly

Dynein transportuje náklad k „-“ konci mikrotubulu

Kinesin transportuje náklad k „+“ koncimikrotubulu; kinesin transportuje vezikuly a je zapojen v tvorbě mitotických vřetének

Všechny tři skupiny motorických proteinů byly objeveny u rostlin.

Rostliny mají více druhů kinesinů než živočichové

24

Další typy přídatných proteinů – ovlivňují vytváření cytoskeletu

- spojují polymery k sobě

- stabilizují polymery

- zesilují či zeslabují polymery

- váží se specificky ke konci polymeru

- spojují cytoskelet k dalším komponentám buňky (membrány, biosyntetické enzymy, komponenty přenosu signálu)

25

Mitochondrie a plastidy proudí cytoplazmou pomocí cytoplazmatického proudění

Cytoplazmatické proudění – interakce mezi myosinem, navázaným na povrch organel, a aktinovými filamenty v cytoplazmě

Dochází také k pohybu organel na specifická místa – pohyb chloroplastů jako reakce na intenzitu světla; podobně pohyb jádra

List Arabidopsis

26Aktinová filamenta – úloha v exocytóze (pylové láčky, kořenové vlásky)

Exocytóza lokalizovaná na rostoucím apikálním konci

Polarizovaná aktinová vlákna dodávají sekreční vezikuly do špičky.

Vysoká rychlost expanze (růstu pylové láčky) vyžaduje dodávku velkého počtu prekurzorů buněčné stěny.

V pylové láčce vezikuly (obsahující Ca2+, prekurzory buněčné stěny) mají připojený myosin, který je spojen s aktinovými filamenty.

27Mikrotubuly – pomoc při orientaci expanze buňky

Kořeny, stonky – směr maximální expanze je paralelní s dlouhou osou orgánu

Kortikální mikrotubuly jsou orientované kolmo k ose prodlužování => ovlivňování směru ukládání celulózových mikrofibril, které specifikují směr maximální expanze buněk.

CW

PM

Exprese tubulin

Exprese celulóza syntázy